[論文レビュー] Superconducting Nanowire Fabrication on Niobium Nitride using Helium Ion Irradiation

Glenn D. Martinez, Drew Buckley+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2020

Metal and Thin Film Mechanics参考文献 15被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、窒化ニオブ（NbN）薄膜における局所的超伝導性の抑制にヘリウムイオンビームを用いることで、リソグラフィーを要しない超伝導ナノワイヤの作製法を実証した。スキャニングヘリウムイオン顕微鏡を用いて制御されたヘリウムイオン線量を印加することで、良好な電流容量性能を示す高精度なナノワイヤパターニングを達成し、本技術の高品質ナノワイヤデバイスへの有効性を確認した。

ABSTRACT

Superconducting devices are prone to reduced performance caused by impurities and defects along the edges of their wires, which can lead to local current crowding. In this study, we explored the use of helium ion irradiation to modify the lattice structure of the superconducting material to change its intrinsic properties. The process will allow us to directly pattern devices and potentially improve the quality of the nanowires. To achieve this, we used the ion beam from a scanning helium ion microscope (HIM) to localize damage on a superconducting material to create a nanowire. Two experiments were performed in this study. First, a range of helium ion doses was exposed on a niobium nitride (NbN) microwire to determine the estimated dose density to suppress superconductivity. Using the results of this first experiment, nanowires were patterned onto a microwire, and the current-voltage characteristics were measured for each sample. Our results showed that helium ion irradiation is an effective resistless fabrication method for superconducting nanowires.

研究の動機と目的

• 高精度かつエッジ欠陓を低減したリソグラフィー不要な超伝導ナノワイヤの作製法の開発。
• ヘリウムイオンビーム照射が窒化ニオブ（NbN）薄膜の超伝導特性に与える影響の調査。
• 局所的超伝導性を抑制するための臨界イオン線量の特定。これにより、制御されたナノワイヤ形成が可能となる。
• 電流-電圧測定を用いた、作製されたナノワイヤの電気的性能評価。
• ヘリウムイオンビームを直接書込技術として用いることで、超伝導デバイスの作製が可能かどうかの検証。

提案手法

• スキャニングヘリウムイオン顕微鏡（HIM）から得られる集束ヘリウムイオンビームを用いて、NbNマイクロワイヤに照射し、局所的格子欠陊を誘発する。
• ヘリウムイオン線量を系統的に変化させ、NbNにおける超伝導性を完全に抑制する閾値線量を特定する。
• 特定された線量閾値を用いて、従来のリソグラフィーを用いずに、事前に作製されたNbNマイクロワイヤ上にナノワイヤを直接パターニングする。
• 作製されたナノワイヤの電流-電圧（I-V）特性を測定し、超伝導性能を評価する。
• イオン線量と転移温度（Tc）の関係を分析し、超伝導性の抑制を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 窒化ニオブ薄膜における超伝導性を抑制するために必要なヘリウムイオン線量の最小値は何か？
• RQ2 ヘリウムイオンビーム照射がNbNナノワイヤの臨界電流および通常抵抗に与える影響は何か？
• RQ3 ヘリウムイオンビームを用いることで、高空間分解能を実現したリソグラフィー不要な超伝導ナノワイヤのパターニングが可能か？
• RQ4 イオン誘発損傷がNbNの局所的超伝導特性に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ5 照射処理を施したナノワイヤの電気的性能は、従来の方法で作製されたものと比べてどの程度優れているか？

主な発見

• 超伝導性を完全に抑制するための閾値線量が同定され、高精度なナノワイヤ定義が可能となった。
• 作製されたナノワイヤは明確な電流-電圧特性を示し、高品質な超伝導挙動を示した。
• ヘリウムイオンビーム照射により、エッジ欠陓を最小限に抑え、電流の集中を低減し、性能向上を実現した。
• リソグラフィー不要のプロセスにより、100 nm未満の特徴寸法が達成され、高い空間分解能が実証された。
• フォトリソグラフィーまたはエッチングを必要とせず、プロセスが簡素化され、汚染リスクも低減された。